O que é propagação de calor? - Condução, Convecção e Radiação

POR Pedro Coelho

Publicado: quinta-feira, 2 de janeiro de 2025

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A propagação de calor é um fenômeno fundamental de transferência de calor que ocorre em diversos processos naturais e tecnológicos. Compreender como o calor se transfere de um corpo para outro é essencial para o desenvolvimento de soluções eficientes em áreas como engenharia, climatização, e até mesmo na vida cotidiana.

Neste texto, exploraremos detalhadamente os três principais mecanismos de propagação de calor: condução, convecção e radiação. Sendo que de forma resumida, a condução refere-se à transferência de calor através de materiais sólidos, enquanto a convecção envolve o movimento de fluidos para distribuir o calor.

Já a radiação é a emissão de energia térmica na forma de ondas eletromagnéticas. Ao entender esses fenômenos, podemos aplicar esse conhecimento para otimizar processos e melhorar a eficiência energética em diversas aplicações.

Mecanismos de propagação de calor

A propagação de calor é um processo que envolve a transferência de energia térmica de uma região para outra, motivada pela diferença de temperatura entre essas áreas.

Para quantificar a quantidade de energia transferida por unidade de tempo (taxa), é fundamental compreender os mecanismos físicos responsáveis por essa transferência.

Os principais mecanismos envolvidos nesse fenômeno são os seguintes:

Condução

A condução é o processo pelo qual a energia térmica é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, seja dentro de um único meio (sólido, líquido ou gasoso), seja entre diferentes meios em contato direto. Esse fenômeno pode ser compreendido como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância, devido às interações entre elas.

Para uma melhor compreensão do mecanismo de condução, podemos considerar o exemplo de um gás submetido a uma diferença de temperatura. A figura abaixo ilustra um gás entre duas superfícies a diferentes temperaturas:

O gás ocupa o espaço entre duas superfícies (1) e (2), mantidas a diferentes temperaturas, sendo que T1 > T2 (o gás não apresenta movimento macroscópico); e como as temperaturas mais altas estão associadas a energias moleculares mais elevadas, as moléculas próximas à superfície (1) são mais energéticas e se movem mais rapidamente.

Logo, o plano hipotético X acaba sendo constantemente atravessado por moléculas vindas de ambas as superfícies. No entanto, as moléculas próximas à superfície (1) possuem maior energia do que as próximas à superfície (2). Assim, ocorre uma transferência líquida de energia de (1) para (2) por condução.

Nos líquidos, o processo é essencialmente o mesmo, embora as moléculas estejam mais próximas umas das outras, resultando em interações mais intensas e frequentes. Já nos sólidos, a propagação de calor é menos intensa do que nos líquidos, e ocorre principalmente por meio das ondas de vibração da estrutura cristalina.

Além disso, a propagação do calor é facilitada tanto pelo movimento dos elétrons livres quanto pelas vibrações da estrutura cristalina.

Convecção

A convecção pode ser definida como o processo pelo qual a energia térmica é transferida das regiões mais quentes para as mais frias de um fluido, por meio da ação combinada de condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura das partículas do fluido.

Esse mecanismo pode ser mais facilmente compreendido ao observar, por exemplo, um circuito impresso (chip) sendo refrigerado por ar ventilado,como mostra a figura abaixo:

Na região próxima à superfície do chip, a velocidade do ar é muito baixa devido às forças viscosas (atrito). Nessa camada limite, o calor é transferido predominantemente por condução, resultando no armazenamento de energia pelas partículas de ar presentes ali.

À medida que essas partículas aquecidas se deslocam para regiões com maior velocidade, elas são transportadas pelo fluxo de ar e transferem calor para partículas mais frias, resultando em um processo contínuo de troca térmica.

Esse exemplo caracteriza a chamada convecção forçada, uma vez que o movimento do fluido é induzido por um agente externo — neste caso, um ventilador.

Agora, imagine que o ventilador seja removido. Nesse cenário, as partículas próximas à superfície continuam recebendo calor por condução, armazenando energia e aquecendo-se. Com o aumento da temperatura, a densidade dessas partículas diminui, tornando-as mais leves. Como consequência, elas sobem naturalmente, enquanto partículas mais frias e densas descem, estabelecendo um movimento de circulação natural.

Esse fenômeno é denominado convecção natural. Vale destacar que, na convecção forçada, a taxa de transferência de calor é consideravelmente maior, devido à ação ativa do fluxo imposto pelo ventilador, quando comparada à convecção natural, que depende apenas das diferenças de densidade geradas pelo aquecimento.

Radiação

A radiação pode ser definida como o processo de propagação de calor de uma superfície com temperatura mais elevada para outra com temperatura mais baixa, mesmo que estejam separadas por um espaço vazio ou pelo vácuo. Essa propagação ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, recebendo o nome de radiação térmica.

Um exemplo clássico desse fenômeno é o calor proveniente do Sol. Mesmo com o vácuo existente entre a superfície solar, cuja temperatura é de aproximadamente 5.500 °C, e a superfície terrestre, a vida na Terra depende diretamente dessa energia recebida. 

A energia solar nos alcança na forma de ondas eletromagnéticas, que também estão presentes em diversos outros fenômenos, como raios-X, ondas de rádio e TV, micro-ondas e outros tipos de radiação.

A emissão de ondas eletromagnéticas está relacionada às variações nas configurações eletrônicas dos átomos e moléculas, podendo ser originada por diferentes processos. No entanto, no contexto da propagação de calor, interessa apenas a radiação resultante das diferenças de temperatura, conhecida como radiação térmica.

As principais características desse tipo de radiação são:

• A radiação térmica se propaga à velocidade da luz, aproximadamente 300.000 km/s.
• Todos os corpos com temperatura acima do zero absoluto (-273,15 °C ou 0 K) emitem radiação térmica de forma contínua.
• A intensidade das emissões depende exclusivamente da temperatura e das propriedades da superfície emissora.

Esses princípios são fundamentais para a nossa compreensão dos processos de propagação de calor por radiação, sendo aplicados em áreas como engenharia térmica, climatização, design de materiais e estudos astronômicos.

Mecanismos combinados ocorrendo simultaneamente

Na maioria das situações práticas ocorrem ao mesmo tempo dois ou mais mecanismos de propagação de calor atuando ao mesmo tempo. Nos problemas da engenharia, quando um dos mecanismos domina quantitativamente, soluções aproximadas podem ser obtidas desprezando-se todos, exceto o mecanismo dominante. Entretanto, deve ficar entendido que variações nas condições do problema podem fazer com que um mecanismo desprezado se torne importante.

Para entender melhor a ocorrência desses mecanismos que podem ocorrer simultaneamente, vamos pegar como exemplo uma panela aquecendo água para ilustrar os três modos de propagação de calor: condução, convecção e radiação.

1. Condução: Quando a panela é colocada no fogão, o calor é transferido do queimador para a base da panela através da condução. A condução é o processo pelo qual o calor se move através de um material sólido. No caso da panela, o calor se propaga do fundo metálico para as laterais e para o líquido dentro dela.

2. Convecção: Dentro da panela, a água aquece de maneira desigual. O líquido próximo ao fundo da panela, que está em contato direto com a superfície quente, aquece primeiro. Esse líquido quente se torna menos denso e sobe para a superfície, enquanto o líquido mais frio desce para o fundo, criando correntes de convecção. Esse movimento contínuo ajuda a distribuir o calor uniformemente por toda a água.

3. Radiação: Além da condução e convecção, a panela e a água também emitem calor na forma de radiação térmica. A radiação é a transferência de energia térmica na forma de ondas eletromagnéticas. Mesmo que não seja o principal modo de propagação de calor neste exemplo, a radiação ainda ocorre, especialmente se a panela estiver descoberta, permitindo que o calor escape para o ambiente ao redor.

Esse exemplo mostra como os três modos de propagação de calor podem ocorrer simultaneamente em um sistema simples como uma panela aquecendo a água.

Referências

• Introdução a transferência de calor, Eduardo Emery Cunha Quites e Luiz Renato Bastos Lia, UNISANTA, Santos, São Paulo, 2003.
• https://www.simscale.com/docs/simwiki/heat-transfer-thermal-analysis/what-is-heat-transfer/ (acessado em 02/01/2025 as 15:29)
• https://www.britannica.com/science/heat-transfer (acessado em 02/01/2025 as 16:02)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu estou estudando Engenharia Civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)